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攻克技术壁垒 筑牢安全防线

2018-12-26 08:33 来源:科技日报 赵丹丹

  ■聚 焦

  随着国家建筑消防法规的逐渐完善,高层建筑、轨道交通、船舶等防火安全部位强制安装防火玻璃已经实现制度化。复合防火玻璃作为安全玻璃中的一员,可以使逃生和救援人员免遭热辐射伤害,并降低火灾的破坏性。

  推倒围墙,让科技成果转化更畅快,对接更彻底,截至2018年11月30日,“十三五”国家重点研发计划专项课题“复合防火玻璃制造技术与产业化示范”的研发时间已经过半,中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建材总院)和国内19家玻璃深加工企业签订技术服务协议,为后者提供高性能防火溶液,并指导复合防火玻璃的工业化生产,成为化解当地玻璃深加工产业“高能耗、低附加值”等弊端的利器。这一数字远远超过当时课题立项时所设定的2家企业实现产业化落地示范的目标。

  2018年7月,在中国建材联合会组织的科技成果鉴定会上,对项目中的核心技术内容“K2O·nSiO2基材工业化制备新技术在高性能复合防火玻璃应用与产业化示范”,专家组一致认为:整体技术达到先进水平,其中超薄型防火胶片制造技术达到领先水平。

  笔者了解到,过去一年,“复合防火玻璃制造技术与产业化示范”研发又往前推进了不少工作。

  让防火中间层材料薄至0.2毫米

  作为安全玻璃中的一员,复合防火玻璃由两层或两层以上的玻璃中间夹以透明的防火中间层材料组成,在遇火灾时,防火层会迅速发泡膨胀形成绝热的耐火隔热泡沫层,吸收大量热量,起到控制火势蔓延、隔烟和隔热等作用,可使逃生和救援人员免遭热辐射伤害,此外它能黏结破碎的玻璃片,保持防火玻璃的完整性使之不会伤及人。

  从2017年6月到2018年5月,经过一年的努力,中国建材总院玻璃科学研究院已相继研发成功0.9毫米、0.8毫米、0.7毫米厚的防火中间层。

  但科研人员在深入研究中发现,其实对耐火窗来说,仅需要完整性就可防止明火烧进屋子引起灾难。如果能保证耐火窗用玻璃整体均匀受热,即使是普通钢化玻璃也可以满足耐火窗的使用要求。

  显然,火灾发生时,室外的火苗不会均匀地缓慢加热玻璃,急速温度变化会导致玻璃因应力不均发生炸裂。

  研发的新型防火中间层材料遇火后,会迅速发泡膨胀,膨胀比超过30倍,也就是说,当1000℃以上的明火烧蚀1毫米厚的防火中间层材料时,会迅速生成30毫米的膨胀隔绝层。虽然普遍采用的1毫米厚的防火中间层可以解决问题,但过于奢侈。“考虑到玻璃正常钢化的均匀性,其实玻璃表面0.2毫米厚的防火层就能满足耐火窗的使用要求。” 中国建材总院玻璃院穆元春博士说。

  之前团队其实也曾做过相关尝试。

  即使灌注纯净水,也会因为表面张力迟滞灌注速度。本项目所研发的新型防火液,虽然粘度较低,但要灌注厚度在0.5毫米以下的腔体,难度实在太大,加上是大尺寸复合防火玻璃,灌注更加困难,加上时间较长,会导致体系不断反应固化,粘度逐步上升,从而影响静置排泡的工艺。为此团队借助已经研发出的高模数、高固含、低粘度K2O·nSiO2基防火液,通过对原有工艺进行适当的优化改进,制备出新型高模数K2O·nSiO2基防火胶片及其平板式、曲面式复合防火玻璃。

  由于整个过程是一个液态与气态进行转换的静态和动力平衡,需要在特定的温度、湿度下进行:温度提供了水分蒸发的能量,使溶液中的水分蒸发到环境中;湿度抑制溶液中的水分过快蒸发,防止溶液表层由于过快失水硬化,影响溶液内部水分蒸发,因此温度、湿度是影响溶液水分蒸发速度和胶层质量的关键因素。在新型复合防火胶片的制备过程中,项目组采取了变温变湿分步法,制备K2O·nSiO2基无机防火胶片,不但消除了褶皱、微泡,防火胶片的生产时间也明显缩短到5小时以内,制备出1500毫米×800毫米×0.5毫米的无机防火胶片基体,再利用模具,压出一定深度、宽度的贯通式纹路,用于复合防火玻璃层合时,作为导气通道使用。

  不断改进 实现高效生产复合防火玻璃

  有了高性能的防火中间层材料,如何高效生产出复合防火玻璃又成了一个新的难题。

  由于没有现成设备参考,不是机械科班出身的项目组成员,只能将防火玻璃生产过程中的每一步拆解,一块一块地设计相关设备,从设备原理、材质、尺寸等入手,一点一点地配凑出第一代复合防火玻璃生产线。

  但第一代生产线自动化水平非常低,相关工序间的衔接还得靠人工操作,影响了生产效率,仅能满足年产5万平方米复合式防火玻璃。

  试生产4个月,第一代生产线的其他一些问题也被暴露,如层压设备精度不够,需要多次预压才能满足设计要求、自动化程度低等。

  在此基础上,项目组研发了第二代复合式防火玻璃生产线,利用激光定位的方法,实现了玻璃空腔的无误差自动合片,大幅提高了生产效率;利用升降机将已放置有防火玻璃的抽屉式烘烤架自动放入烘箱中,在提高烘箱的利用率的基础上进一步减少了人工操作带来的危险隐患。这套设备可以满足设计所要求的年产7万平方米复合式防火玻璃。

  第二代生产线试生产半年,中国建材总院又与北京明日之星玻璃机械有限公司合作,在原有基础上再进行了改进,设计、研发、制备出第三代自动化复合式防火玻璃生产线,实现从原片清洗、腔体定制、定量灌注到成品包装的全链条一体化自动生产。

  利用这套设备,中国建材总院可以制备出从300毫米×300毫米到2000毫米×4500毫米间各种尺寸规格的复合式防火玻璃,完全满足现有防火门窗的尺寸要求,产品的生产效率大大提高,可实现年产10万平方米以上复合式防火玻璃。

  通过一年多的生产,北京冠华东方玻璃技术有限公司、北京海阳顺达玻璃有限公司、北京强瑞劲龙玻璃有限公司等多家企业的应用证明再次肯定了本项目技术的优势:研发的无微泡、耐紫外线辐照性能优异的复合防火玻璃,解决了传统的复合式防火玻璃不能物理钢化、不能用于幕墙、不能具备异型结构的局限,进一步拓宽了复合式防火玻璃的应用前景。

  目前利用本技术完成的部分建筑项目有北京城市副中心——后北营项目;恒大、万科等多个商业项目,总面积达10万平方米以上,并已安装在高层建筑户外窗上使用。

  将有超过百亿平方米的市场空间

  在冬季,我国北方不少地区气温在-15℃以下,常规的复合防火玻璃会结冻,并出现冰花、气泡等现象,影响视野。

  为提高复合式防火玻璃的低温使用性能,项目组又通过优化体系的参数,研发出低温型复合防火玻璃。

  “在-20℃下,玻璃连续放置100小时以上也未出现冰花现象,这意味着可满足国内绝大多数地区冬季防火安全的要求。” 穆元春说,“但是我们的最终目标是-50℃的超低温环境的可靠使用,这样基本可以覆盖整个人类生活区。”

  同时对于避难间、防火通道等需要有背温要求、只能使用A类复合式防火玻璃的场所,项目组也取得了可喜的成果。以A90级为例,本项目组制备的大尺寸A90级复合防火玻璃仅25毫米厚,与同类产品相比厚度减少了三分之一,重量减少了25%。

  随着国家经济水平的快速发展,以及建筑安全要求的不断提高,仅在北京、雄安新区等地复合防火玻璃将有超过300亿平方米的市场空间。

  本项目顺利完成后,将解决复合无机防火玻璃不能物理钢化、不能用于幕墙、不能具备曲面异形结构的局限,进一步拓宽了复合式防火玻璃的应用前景,对推进我国复合式防火玻璃及其生产线国产化,进一步提高建筑安全有不可缺失的作用。

(责任编辑:王蔚)

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